Садомовский А.С. Приемо-передающие радиоустройства и системы связи (2007)

В тех случаях, когда требуется обеспечить малую неравномерность коэффициента передачи по диапазону, используют комбинированную связь входного контура с антенной (рис. 3.13 в). В этой схеме энергия из антенны во входной контур передаётся не только через магнитную связь между катушкой связи LСВ и катушкой контура L, но и через ёмкость связи ССВ. При правильной фазировке катушек LСВ и L напряжение сигнала, переданное через ёмкость связи, будет суммироваться с напряжением, передаваемым через индуктивную связь. В этом случае коэффициент передачи входной цепи выравнивается по диапазону (рис. 3.14).

Индуктивно-ёмкостная связь

КВЦ0

Ёмкостная связь

Индуктивная связь

ƒ0

Из рис. 3.14 видно, что уменьшение коэффициента передачи к концу диапазона за счёт индуктивной связи будет компенсировать его возрастанием за счёт ёмкостной связи. При достаточно тщательной настройке схемы можно получить практически постоянный по диапазону коэффициент передачи.

3.2.4 Входные цепи радиоприемников ультракоротковолнового диапазона

Вдиапазоне УКВ очень важным условием оптимальной передачи энергии радиосигнала из антенны на вход приёмника является согласование фидерной линии антенной системы со входом приёмника.

Вметровом диапазоне согласование осуществляется автотрансформаторным включением коаксиального фидера и входа приёмника в контур (рис. 3.15).

Рис. 3.15

В дециметровом диапазоне в качестве избирательных устройств входных цепей используются короткозамкнутые отрезки коаксиальных линий длиной

91

λ/4. Разомкнутый конец коаксиала легко согласуется с УЭ. Связь контура с коаксиальным фидером может быть автотрансформаторная (рис. 3.16 а), трансформаторная (рис. 3.16 б), ёмкостная (рис. 3.16 в). При необходимости связь с фидером может меняться (рис. 3.16 в). Настройка контура на рабочую волну осуществляется при помощи зонда (рис. 3.16 а) либо перемещением короткозамыкателя (рис.3.16 в).

а)

λ/4

Рис. 3.16

В диапазоне сантиметровых волн в качестве фидеров используются волноводы, а в сочетании с ними – полуволновые отрезки волноводов в качестве резонаторов. На рис. 3.17 представлены конструкция и принципиальная схема входного устройства сантиметрового диапазона волн.

Рис. 3.17

92

Элементы входной цепи приёмника сантиметрового диапазона: 1,4 – волноводы, 2 – диафрагмы, 3 – резонатор, 5 – штыревой выход входной цепи, 7– реактивный коаксиальный короткозамкнутый шлейф, служащий для компенсации реактивной составляющейсопротивленияштыря5, 6 – подвижныйкороткозамыкательволновода, при помощи которого осуществляется согласование штыря с волноводом, 8 – ёмкостныйвинтподстройкирезонатора.

3.3 Усилители радиочастоты

3.3.1 Общие сведения об усилителях радиочастоты

Усилители радиочастоты осуществляют усиление радиосигнала на принимаемой частоте.

УРЧ выполняют в приёмнике важнейшие функции:

Во–первых, УРЧ должны обеспечить усиление принимаемых радиосигналов при незначительном добавлении собственных шумов. Этим самым улучшается реальная чувствительность приёмника. Для её улучшения необходимо на входе приёмника использовать каскады, обладающие малыми собственными шумами и возможно большим коэффициентом усиления по мощности.

Во-вторых, совместно с входными цепями обеспечивают избирательность по внеполосным каналам приёма и защиту цепи антенны от проникновения сигнала собственного гетеродина, который может создать помеху соседним радиоприёмным устройствам.

В качестве усилительных приборов в УРЧ используют: транзисторы (биполярные и полевые), ЛБВ, туннельные, параметрические диоды и т. д.

Вследствие того, что некоторые усилительные приборы (биполярные транзисторы) обладают большой входной и выходной проводимостью, поэтому непосредственное их подключение к избирательной цепи привело бы к сильному её шунтированию и ухудшению усилительных и избирательных свойств усилителя. Для ослабления шунтирующего действия этих проводимостей осуществляется неполное включение избирательной цепи к выходу усилительного прибора и к входу следующего каскада (рис. 3.18).

93

сопротивление входа усилителя RВХ создаёт на выходе усилителя шумы, мощность которых равна мощности собственных шумов усилителя.

Выразим шумовую температуру ТШ через коэффициент шума NШ.

В соответствии с определением ТШ мощность собственных шумов на входе должна быть равна мощности шумов сопротивления входа усилителя при температуре ТШ, т. е.

Избирательность УРЧ определяется избирательностью резонансной системы, входящей в его состав. Количественно избирательность σU характеризуется числом, показывающим, во сколько раз уменьшается коэффициент усиления К ƒ по сравнению с резонансным К0 при заданной расстройке ƒ

Искажения сигнала. В УРЧ, собственно как и в радиоприёмнике в целом, возможны три вида искажения: амплитудно-частотные искажения, полностью определяемые формой избирательной системы; фазо-частотные искажения являются следствием нелинейности ФЧХ, нелинейные искажения, вследствие низкого уровня полезного сигнала, определяются в основном внеполосной сильной помехой.

Динамический диапазон оценивается по амплитудной характеристике УРЧ

(рис. 3.19).

95

Состав схемы: транзистор Т1, усилительный прибор n-p-n типа, избирательная цепь – колебательный контур LКСКСП; СР1,СР2 – разделительные ёмкости, R1,R2 делитель напряжения ЕК, обеспечивающий постоянное смещение на базе, RЭ,СЭ – обеспечивают автоматическое смещение на базе за счёт постоянной составляющей эмиттерного тока и стабилизируют режим транзистора по постоянному току; СФ, RФ – устраняют паразитную связь между каскадами через общий источник питания, чем повышают устойчивость усилителей с количеством каскадов больше одного; СБЛ – блокирует источник по переменному току, выполняя ту же функцию, что и СФ, RФ.

Избирательный усилитель радиочастоты с общей базой (рис. 3.21).

+

Рис. 3.21

Схема с общей базой отличается от схемы с общим эмиттером тем, что в ней база является общим электродом для входной и выходной цепей и она соединена с корпусом по ВЧ через ёмкость С1 , и соответственно её потенциал по ВЧ равен нулю.

Основная особенность схемы УРЧ с общей базой в том, что в ней образуется 100% ООС по току вследствие того, что вся переменная составляющая коллекторного тока протекает по входной цепи. Входной ток является суммой коллекторного и базового токов. В результате выходной ток меньше входного, т. е. коэффициент усиления по току УРЧ с ОБ меньше 1. Сигнал усиливается только по напряжению. Но за счёт глубокой ООС в (1+βК) раз уменьшаются линейные и нелинейные искажения в усилителе, и повышается устойчивость работы каскада за счёт нейтрализации проводимости Y12, вызываемой ёмкостью положительной обратной связи СКБ. Таким образом, за счёт глубокой ООС в УРЧ с общей базой отсутствует усиление по току, но значительно возрастает, по сравнению со схемой с общим эмиттером, допустимый коэффициент устойчивого усиления по напряжению, который в схеме с общим эмиттером резко уменьшается с ростом частоты. Поэтому схема

97

УРЧ с общей базой преимущественно используется в верхней части коротковолнового диапазона и в диапазоне метровых волн.

УРЧ на полевых транзисторах в принципе и схемно практически мало отличается от УРЧ на биполярных транзисторах, поэтому в данном пособии не рассматривается.

Каскодная схема УРЧ.

Она состоит из двух последовательно соединенных каскадов, при этом нагрузкой первого усилительного прибора служит входная проводимость второго. Наибольшее распространение получил вариант схемы ОЭ-ОБ, схема которого приведена на рис. 3.22.

-

ЕК

+

Рис. 3.22

В первом каскаде усилительный прибор Т1 включён по схеме с ОЭ, а во втором – по схеме с ОБ. Питание транзисторов Т1 и Т2 постоянным током осуществляется последовательно, при этом требуется вдвое большее напряжение источника коллекторного питания. Нагрузкой первого усилительного прибора Т1 является входная проводимость второго усилительного прибора Т2. Выходной контур LКСК включён между выходным и управляющим электродами второго усилительного прибора Т2.

Вследствие того, что нагрузкой 1-го каскада с ОЭ является входное сопротивление каскада с ОБ, которое близко к нулю, каскад не имеет усиления по напряжению; второй каскад с ОБ не имеет усиления по току. Таким образом, усилительная способность каскодной схемы по мощности такая же, как схемы с ОЭ, нагруженной на резонансную нагрузку с большим сопротивлением.

Устойчивость каскодной схемы такая же, как схемы с ОБ, т. к. первый каскад имеет коэффициент усиления по напряжению меньше единицы и не влияет на устойчивость схемы.

98

3.3.4 Малошумящие усилители СВЧ диапазона

В диапазоне СВЧ в малошумящих усилителях применяются биполярные и полевые транзисторы, туннельные и параметрические диоды. Лампы бегущей волны ЛБВ, используемые в старых разработках, ввиду больших габаритов и большого энергопотребления в новых разработках не используется, их вытеснили транзисторные усилители, которые по многим параметрам их превосходят.

В качестве избирательных систем в дециметровом диапазоне используются коаксиальные резонаторы, в сантиметровом диапазоне – полые резонаторы, построенные на базе прямоугольных и круглых волноводов.

Наряду с волноводами и коаксиальными линиями в настоящее время в диапазоне СВЧ широко используются полосковые линии, основное достоинство которых: малые размеры, масса, стоимость и возможность их использования в СВЧ интегральных схемах.

Транзисторные усилители СВЧ диапазона

Современные транзисторы позволяют работать в качестве усилителей радиочастоты (биполярные до 10 ГГц, полевые до 30 ГГц) и обеспечивают усиление 10 − 20 дБ и коэффициент шума NШ=1,5 − 3.

Арсенид-галлиевые полевые транзисторы при охлаждении до 20К имеют ТШ при частоте 10 ГГц порядка 30 − 40К, а при 20 ГГц – порядка 100К.

Основные схемы транзисторных усилителей, используемых в диапазонах СВЧ: с общей базой и каскодные схемы, которые были рассмотрены в 3.3.3.

Транзисторные усилители имеют малые размеры и массу, высокую надёжность (время непрерывной работы не менее 200000 часов) и устойчивость к механическим воздействиям, сравнительно низкую стоимость.

Важнейшим преимуществом транзисторных УРЧ по сравнению с усилителями на туннельных и параметрических диодах является возможность их работы без ферритовых циркуляторов и вентилей, лёгкость сопряжения с СВЧ колебательными цепями и интегральными схемами.

Регенераторные СВЧ усилители

Регенеративным усилителем называют устройство, обеспечивающее усиление радиосигналов за счёт внесения в электрическую цепь отрицательного сопротивления, что соответствует внесению в эту цепь дополнительной энергии. Энергия сигнала, поступающая из антенны в колебательный контур, расходуется на потери в самом контуре и потери в подключённой к контуру нагрузке. Если к контуру подключить двухполюсник с отрицательным сопротивлением, то результирующие потери в контуре уменьшаются, при этом мощность сигнала в нагрузке возрастает и будет больше мощности сигнала, поступающего из антенны, т. е. за счёт внесённого в контур отрицательного сопротивления произойдёт усиление сигнала. Если

99

вносимое отрицательное сопротивление полностью компенсирует потери в контуре и подключённой к нему нагрузке, то в контуре возникают незатухающие колебания при отсутствии входного сигнала, т. е. усилитель превращается в автогенератор.

С увеличением вносимого в контур отрицательного сопротивления добротность контура возрастает, усиление усилителя увеличивается, полоса пропускания уменьшается.

В роли отрицательного сопротивления используют или туннельные диоды или варикапы. Туннельный диод, вольтамперная характеристика которого приведена на рис. 3.23, при выборе начальной рабочей точки «А», на середине падающего участка характеристики обладает отрицательным сопротивлением. При выборе нагрузки таким образом, что нагрузочная прямая пересекает ВАХ только в одной точке «А», система является устойчивой и обладает стабильным отрицательным сопротивлением.

Варикап – полупроводниковый диод, при обратном смещении Е0 обладает нелинейной ёмкостью p-n перехода, вольт-фарадная характеристика которого приведена на рис. 3.24.

На варикап подаётся напряжение от специального генератора накачки Ur(t), которое изменяет ёмкость p-n перехода. При изменении ёмкости в такт с приложенным к ней напряжением какого-то ВЧ сигнала, в неё накачивается энергия за счёт источника, изменяющего ёмкость, т. е. за счёт энергии генератора накачки.

Действительно, если на ёмкости есть изменяющийся во времени заряд q (рис. 3.25) и в момент максимума заряда ёмкости её уменьшить U ↑= Cq↓ , то

100